DE102018125659A1

DE102018125659A1 - Strömungsmaschine und Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102018125659A1
Application number: DE102018125659.0A
Authority: DE
Inventors: Henry Seifert
Original assignee: HOCHSCHULE BREMERHAVEN
Current assignee: HOCHSCHULE BREMERHAVEN
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2020-04-16
Anticipated expiration: 2038-10-17
Also published as: DE102018125659B4

Abstract

Beschrieben wird eine Strömungsmaschine (10) sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine (10) mit einem in einer Luft- oder Gasströmung angeordneten Rotor (11), der wenigstens ein um eine Rotornabe (12) drehbares Rotorblatt (13) aufweist, welches sich in einer Ebene, die zumindest nahezu senkrecht zur Längsachse (14) der Rotornabe (12) angeordnet ist, dreht und das über wenigstens zwei Teile (15, 16) mit unterschiedlichem Abstand zur Rotornabe (12) verfügt. Ferner ist wenigstens eine Bewegungseinrichtung (17) zur wenigstens teilweisen Veränderung einer Ausrichtung des Rotorblatts (13) relativ zur Strömung, wenigstens ein Sensor (18) zur Erfassung einer Eigenschaft der Strömung und/oder einer Betriebseigenschaft des Rotors (11) und eine Steuerung (19) vorgesehen. Die Steuerung (19) erzeugt in Abhängigkeit einer von dem Sensor (18) erfassten Eigenschaft der Strömung und/oder der Betriebseigenschaft des Rotors (11) ein Steuersignal und überträgt dieses an die Bewegungseinrichtung (17), sodass die Ausrichtung des Rotorblatts (13) relativ zur Strömung unter Berücksichtigung der wenigstens einen Eigenschaft der Strömung verändert wird.Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die Bewegungseinrichtung (17) ein erstes Bewegungsmittel (20) zur Veränderung einer Ausrichtung eines ersten Teils (15) des Rotorblatts (13) relativ zur Strömung und ein zweites Bewegungsmittel (21) zur Veränderung einer Ausrichtung eines zweiten Teils (16) des Rotorblatts (13) relativ zur Strömung aufweist, wobei das erste und das zweite Teil (15, 16) des Rotorblatts (13) - gemeinsam oder getrennt voneinander unter Berücksichtigung der wenigstens einen Eigenschaft der Strömung und/oder der Betriebseigenschaft des Rotors (11) bewegbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem in einer Luft- oder Gasströmung angeordneten Rotor sowie ein Luftfahrzeug, einen Ventilator oder eine Windenergieanlage mit einer derartigen Strömungsmaschine. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine mit wenigstens einem in einer Luft-oder Gasströmung drehbaren Rotor.
Aus dem Stand der Technik sind Strömungsmaschinen mit Rotoren bekannt, die als mobile oder stationäre Kraftmaschinen betrieben werden. Zu den stationären Kraftmaschinen gehören insbesondere Windenergieanlagen, die on- oder offshore betrieben werden und in den meisten Fällen über einen auf der Luvseite angeordneten Rotor verfügen, deren Rotorblätter aus Faserverbundmaterial, wie etwa glas- oder kohlefaserverstärktem Kunststoff, gefertigt sind. Bei derartigen Windenergieanlagen handelt es sich um sogenannte Horizontalachsenwindenergieanlagen, deren Nabenhöhen und Rotordurchmesser in den letzten Jahren immer größer geworden sind. Der Einsatz von Rotoren mit immer größerem Durchmesser führt dazu, dass entsprechend lange Rotorblätter von ihrer Fertigungsstätte zum jeweiligen Aufbauort transportiert und dort installiert werden müssen. Da derartige Rotorblätter teilweise Längen von bis zu 80 m aufweisen, werden heutzutage gerade für große Windenergieanlagen oftmals geteilte Rotorblätter verwendet.
Die üblicherweise zum Einsatz kommenden Windenergieanlagen speisen die erzeugte elektrische Energie über einen Wechselrichter direkt in ein elektrisches Netz ein, wobei der Rotor mit variabler Drehzahl im Teilleistungsbereich über einen möglichst langen Zeitraum in einem optimalen Betriebszustand betrieben wird.
Die Leistungsregelungen bei höheren Windgeschwindigkeiten sowie das An- und Abfahren einschließlich einer Notabschaltung erfolgt durch eine aktive Verstellung der Rotorblätter mit Hilfe von elektrischen oder hydraulischen Aktuatoren, wobei das Rotorblatt an der Blattwurzel im Ganzen verstellt wird.
Bei der Konstruktion und Dimensionierung eines Rotorblatts ist zu berücksichtigen, dass während des Betriebs eines Rotors die größten Biegebelastungen im Bereich der Blattwurzel auftreten. Ferner werden im Hinblick auf die Aerodynamik und Effizienz eines Rotorblatts die Verwindungsverteilung, die Blatttiefenverteilung und das Rotorblattprofil entlang der Rotorblattlängsachse derart gewählt, dass die Windenergieanlage im Teilleistungsbereich ihren optimalen Leistungsbeiwert erreicht. Diese Auslegung eines Rotorblatts führt dazu, dass in einer Betriebssituation, in der die Rotorblätter in Richtung einer Fahnenposition bewegt werden, sehr hohe Kräfte entlang des Rotorblatts auftreten können.
Ein Rotorblatt, das unter Berücksichtigung der vorgenannten Aspekte einen wirtschaftlichen und effizienten Betrieb gewährleisten soll, ist aus der DE 10 2006 022 279 B4 bekannt. Das beschriebene Rotorblatt ist geteilt ausgeführt, wobei ein Teil des Rotorblattes über die Rotorblattwurzel und das andere Teil über die Rotorblattspitze verfügt. Beide Rotorblattteile sind aus unterschiedlichen Materialien, nämlich das nabennahe Rotorblattteil aus Stahl und das nabenferne Rotorblattteil aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff hergestellt.
Problematisch beim Einsatz der bekannten Rotorblätter, und zwar unabhängig davon, ob diese für mobile Kraftmaschinen, wie etwa Luftfahrzeuge, oder für stationäre Kraftmaschinen, wie etwa Windenergieanlagen, eingesetzt werden, ist, dass bei einem Abregeln der Rotorblätter in Richtung der Fahnenposition, beispielsweise bei Auftreten sehr hoher Windgeschwindigkeiten, vergleichsweise große Kräfte und Momente in unterschiedlichen Bereichen des Rotorblatts auftreten. Oftmals ist in diesen Fällen eine optimale Verwindungsverteilung entlang der Rotorblattlängsachse nicht mehr zu gewährleisten.
Im Übrigen führt die bei den bekannten Rotorblättern im Allgemeinen für den Teilleistungsbereich optimierte Verwindungsverteilung dazu, dass der Nachlauf für die nachfolgenden Anlagen im Windpark ungünstig wird und auch für das Rotorblatt selbst örtlich ungünstige Strömungsverhältnisse, beispielsweise ein unerwünschter Strömungsabriss, auftreten können. Unter einem Nachlauf wird in diesem Zusammenhang ein turbulenter Bereich hinter einer Windenergieanlage mit einer geringeren Geschwindigkeit im Vergleich zu der des Windes in Luv der Windenergieanlage verstanden. Dieser Nachlauf kann sich negativ sowohl auf den Betrieb einer benachbarten Windenergieanlage als auch auf den Betrieb der Anlage, die den Nachlauf versursacht, auswirken. Um den zuvor genannten Problemen zu begegnen und einen sicheren Betrieb einer Strömungsmaschine mit einem Rotor, wie etwa einer Windenergieanlage, zu gewährleisten wird teilweise die Dimensionierung der Rotorblätter zuungunsten der Wirtschaftlichkeit eines Rotorblatts bzw. der mit diesem Rotorblatt betriebenen Strömungsmaschine geändert.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Strömungsmaschinen, die über einen Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt verfügen, und den zuvor geschilderten Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Rotorblatt, welches entlang einer Rotorblattlängsachse wenigstens zwei Teile, nämlich ein nabennahes sowie ein nabenfernes Rotorblattteil aufweist, derart weiterzubilden, dass sowohl eine vergleichsweise einfache und wirtschaftliche Fertigung sowie Transport und andererseits eine effiziente Leistungsregelung ermöglicht werden. Hierbei soll das anzugebende Rotorblatt vor allem derart ausgeführt sein, dass die Umströmung des Rotorblattes auch bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten zumindest nahezu optimal ist, wobei insbesondere Strömungsabrisse vermieden und/oder der Einfluss des Nachlaufs sowohl auf benachbarte Strömungsmaschinen als auch auf die den Nachlauf verursachende Strömungsmaschine selbst minimiert werden sollen.
Mithilfe eines derartigen Rotorblattes soll es insbesondere möglich sein, die Gesamtwirtschaftlichkeit von mobilen sowie stationären Kraftmaschinen, die über eine Strömungsmaschine mit Rotor verfügen, im Vergleich zu den bekannten Anlagen zu verbessern.
Die vorstehende Aufgabe wird mit einer Strömungsmaschine gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine gemäß Anspruch 12 gelöst. Besonders geeignete Verwendungen einer derartigen Strömungsmaschine sind in Anspruch 11 angegeben. Ferner sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf Figuren näher erläutert.
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem in einer Luft- oder Gasströmung angeordneten Rotor, der wenigstens ein um eine Rotornabe drehbares Rotorblatt aufweist, welches in einer Ebene, die zumindest nahezu senkrecht zur Längsachse der Rotornabe angeordnet ist, drehbar ist und das über wenigstens zwei entlang der Rotorblattlängsachse mit unterschiedlichem Abstand zur Rotornabe angeordnete Teile verfügt. Die Strömungsmaschine verfügt des Weiteren über wenigstens eine Bewegungseinrichtung zur zumindest teilweisen Veränderung einer Ausrichtung des Rotorblattes relativ zur Strömung, über wenigstens einen Sensor zur Erfassung einer Eigenschaft der Strömung und/oder einer Betriebseigenschaft des Rotors und über eine Steuerung, die in Abhängigkeit einer von dem Sensor erfassten Eigenschaft der Strömung und/oder der Betriebseigenschaft des Rotors zumindest ein Steuersignal erzeugen und an die Bewegungseinrichtung übertragen kann. Auf der Grundlage dieses Steuersignals ist die Ausrichtung des Rotorblattes relativ zur Strömung unter Berücksichtigung der wenigstens einen Eigenschaft und/oder Betriebseigenschaft des Rotors veränderbar. Eine erfindungsgemäß ausgeführte Strömungsmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Bewegungseinrichtung ein erstes Bewegungsmittel zur Veränderung einer Ausrichtung eines ersten Teils des Rotorblattes relativ zur Strömung und ein zweites Bewegungsmittel zur Veränderung einer Ausrichtung wenigstens eines zweiten Teils des Rotorblattes relativ zur Strömung aufweist, wobei das erste und das zweite Teil des Rotorblatts gemeinsam oder getrennt voneinander auf der Grundlage des zumindest einen Steuersignals und somit unter Berücksichtigung der wenigstens einen Eigenschaft der Strömung und/oder der Betriebseigenschaft des Rotors bewegbar sind.
Wesentlich für die Erfindung ist, dass entlang einer Rotorblattlängsachse zwischen der Rotornabe bzw. einer Rotorblattwurzel und einer Rotorblattspitze wenigstens zwei Rotorblattteile vorgesehen sind, von denen eines näher an der Rotornabe angeordnet ist als das andere und die unabhängig voneinander in Abhängigkeit der während des Betriebs auftretenden Lastanforderungen, Betriebssituationen, Belastung der Strömungsmaschine, insbesondere des Rotorblatts, und/oder der Windverhältnisse, insbesondere der Windgeschwindigkeit und Windrichtung, verstellt werden können. Die beiden Rotorblattteile können erfindungsgemäß unabhängig voneinander bewegt werden, wobei dies sowohl die Alternative, bei der nur eines der Rotorblattteile zurzeit bewegt wird, als auch diejenige, bei der die wenigstens zwei Teile gemeinsam bewegt werden, einschließt.
Unter einer Verstellung wird in diesem Zusammenhang die Veränderung der Lage des Rotorblatts, insbesondere des Rotorblattprofils bzw. der Rotorblattkontur relativ zur Strömung, in der sich das Rotorblatt befindet, verstanden, wobei wenigstens eines der beiden Rotorblattteile zumindest abschnittsweise um die Längsachse des Rotorblatts bewegt wird. In diesem Zusammenhang ist es generell denkbar, dass bei einer Veränderung der Lage eines Rotorblattteils relativ zur Strömung das gesamte Rotorblattteil oder aber nur bestimmte Bereiche, insbesondere Oberflächenbereiche, des Rotorblattteils bewegt werden. Durch eine derartige Verstellung, bei der wahlweise die wenigstens zwei Rotorblattteile oder zumindest bestimmte Bereiche der Rotorblattteile gemeinsam oder jedes Rotorblattteil zumindest abschnittsweise für sich verstellt wird, werden die Strömungsverhältnisse in unmittelbarer Nähe des Rotorblatts verändert, sodass auch die Belastung des Rotorblattes verändert bzw. bedarfsgerecht angepasst wird.
In Bezug auf die Blattregelung ergibt sich aufgrund der Erfindung der Vorteil, dass durch die unterschiedlich und unabhängig voneinander verstellbaren Teile des Rotorblattes die Verwindungsverteilung flexibel an unterschiedliche Betriebssituationen und Lastsituationen angepasst werden kann. Hierbei ist es insbesondere möglich, dass bei gleichbleibender Leistungsabgabe oder -aufnahme die über den Rotorradius auftretenden Kräfte und Momente bedarfsgerecht verringert oder deren Angriffspunkte in andere Bereiche des Rotors verschoben werden. Vorzugsweise erfolgt die Verstellung wenigstes eines der Rotorblattteile etwa derart, dass bei Windenergieanlagen der Nachlauf der Anlage für die Nachbaranlagen vergleichmäßigt wird. Weiterhin lässt sich bei einer erfindungsgemäß ausgeführten Strömungsmaschine eine besonders vorteilhafte Notabschaltung realisieren.
Die Erfindung unterscheidet sich somit von den aus dem Stand der Technik bekannten technischen Lösungen vor allem dadurch, dass der äußere Teil des Rotorblattes ebenso aktiv um die Blattlängsachse verstellt werden kann, wie der näher zur Rotornabe angeordnete Teil. Die wenigstens zwei Rotorblattteile können so auf vorteilhafte Weise unabhängig voneinander oder gemeinsam verstellt werden. Aus diesem Grund besteht die Möglichkeit, nur das äußere Teil, nur das innere Teil oder beide Teile des Rotorblatts gemeinsam zu verstellen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Teil des Rotorblatts unmittelbar oder mittelbar miteinander verbunden sind. Gemäß dieser Ausführungsform sind die beiden Teile des Rotorblattes somit entlang der Rotorblattlängsachse benachbart zueinander angeordnet. Die Verbindung zwischen den beiden Rotorblattteilen erfolgt hierbei derart, dass die beiden Rotorblattteile relativ zueinander bewegt werden können, wobei es gemäß der Erfindung vorgesehen ist, entweder beide Rotorblattteile gleichzeitig oder lediglich eines der beiden Rotorblattteile zurzeit zu bewegen.
Die Bewegungsmittel der Bewegungseinrichtung zur Veränderung der Lage des ersten sowie des wenigstens einen zweiten Teils eines Rotorblatts relativ zur Strömung sind vorzugsweise derart ausgeführt, dass das erste und/oder das zweite Teil des Rotorblatts wenigstens abschnittsweise um eine Längsachse, des Rotorblattes drehbar oder kippbar ist. Durch ein derartiges Verdrehen oder Verkippen der wenigstens zwei Rotorblattteile wird auf vorteilhafte Weise die Leistungsabgabe oder Leistungsaufnahme des Rotors und damit auch die Belastung des Rotors, insbesondere die Verwindungsverteilung, verändert. Diesbezüglich ist es ebenfalls denkbar, dass nicht ein ganzes Rotorblattteil, sondern lediglich zumindest ein Bereich eines Rotorblattteils, bevorzugt ein strömungsführender Bereich des Rotorblattteils, bewegbar ist.
Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Steuerung und/oder sind die Bewegungsmittel derart ausgeführt, dass die Ausrichtung des einen größeren Abstand zur Rotornabe aufweisenden Teils des Rotorblatt relativ zur Strömung schneller veränderbar ist, als die Ausrichtung des einen kleineren Abstand zur Rotornabe aufweisenden Teils des Rotorblattes. Die vorgenannte Ausführung der Steuerung und/oder der Bewegungsmittel, die bei Bedarf eine schnellere Verstellung des äußeren Rotorblattteiles als des inneren Rotorblattteiles ermöglicht, ist vorteilhaft, da im Lastfall einer Notabschaltung das innere Rotorblattteil langsamer und damit mit geringeren Lasten verstellt werden kann. Auf vorteilhafte Weise lassen sich so die bei einer Notabschaltung oder bei einer zumindest starken Verringerung der Last die entlang der Rotorblattlängsachse auftretenden Belastungen minimieren.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eines der Teile des Rotorblattes eine Tragstruktur aufweist, an der die strömungsleitende Rototblattschale befestigt ist und die mittelbar oder unmittelbar mit wenigstens einem der Bewegungsmittel verbunden ist. Die Ausgestaltung der Tragstruktur erfolgt vorzugsweise einerseits unter Berücksichtigung der maximal zu erwartenden Belastungen und andererseits im Hinblick auf eine Minimierung der Masse. Die Tragstruktur überträgt die Bewegung von dem jeweiligen Bewegungsmittel der Bewegungseinrichtung auf die strömungsleitende Oberfläche des jeweiligen Rotorblattteils. Bei der Ausgestaltung der Tragstruktur sowie der Bewegungsmittel, insbesondere der Antriebe, Lager und/oder Getriebe der Bewegungsmittel, wird bevorzugt darauf geachtet, dass diese in das unter Berücksichtigung einer effektiven Aerodynamik gestaltete Rotorblatt hineinpassen bzw. in dieses zu integrieren sind. Weiterhin werden die Tragstruktur sowie die unterschiedlichen Komponenten der jeweiligen Bewegungsmittel derart ausgeführt, dass innerhalb des Rotorblatts ausreichend Platz für Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten zur Verfügung steht.
Weiterhin ist auf vorteilhafte Weise vorgesehen, dass ein Messsignal vom Sensor zur Steuerung und/oder ein Steuersignal von der Steuerung zur Bewegungseinrichtung wenigstens zeitweise drahtlos übertragbar ist. Es ist zwar grundsätzlich denkbar, dass entsprechende Signale auch drahtgebunden übertragen werden, nichtsdestotrotz ist es von Vorteil, wenn auf entsprechende Daten- oder Sensorleitungen verzichtet wird.
Grundsätzlich kann die Übertragung der Messsignale bzw. Messwerte oder Steuersignale bzw. Steuerwerte zwischen den Sensoren, der Steuerung und der Bewegungseinrichtung mit ihren Bewegungsmitteln direkt, über eine zusätzliche Verstärker- oder Relaisstation oder über eine sonstige Recheneinheit erfolgen. Es können somit sowohl Rohdaten als auch zumindest teilweise verarbeitete Daten zwischen dem wenigstens einen Sensor und der Steuerung und/oder der Steuerung und der Bewegungseinrichtung mit ihren wenigstens zwei Bewegungsmitteilung übertragen werden. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass eine Signal- oder Datenübertragung unidirektional oder bidirektional erfolgt. Für den besonderen Fall, dass beispielsweise auch an den Bewegungsmitteln, einer Tragstruktur des Rotorblatts und/oder an einer strömungsleitenden Oberfläche des Rotorblatts wenigstens ein Sensor, etwa zur Erfassung von Belastungswerten, angeordnet ist, ist eine Übertragung dieser Messwerte oder Messsignale an die Steuerung zur weiteren Verarbeitung über eine vorzugsweise bidirektionale Datenübertragungsstrecke sinnvoll.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der Sensor eingerichtet, um wenigstens ein Messsignal, das eine Betriebseigenschaft des Rotors, ausgewählt aus der Gruppe Rotordrehzahl, Drehmoment, Leistung einer An- oder Abtriebswelle, eine Beanspruchung des Rotors und Form einer Umströmung des Rotors repräsentiert, zu erzeugen und an die Steuerung zu übertragen. Die Steuerung erzeugt unter Berücksichtigung der jeweils einschlägigen Messsignale ein Steuersignal, das an wenigstens ein Bewegungsmittel eines der Rotorteile übertragen wird, sodass auf vorteilhafte Weise eine geeignete Bewegung wenigstens eines der Rotorblattteile in Abhängigkeit einer veränderten Lastanforderung oder Belastung des Rotorblatts durchgeführt wird.
Im Weiteren ist es denkbar, dass der wenigstens eine Sensor eingerichtet ist, um zumindest ein Messsignal, das eine Geschwindigkeit, eine Richtung, eine Form und/oder eine Zusammensetzung der Strömung repräsentiert, zu erzeugen und an die Steuerung zu übertragen. Bei einem derartigen Sensor handelt sich bevorzugt um ein Anemometer, beispielsweise ein Ultraschallanemometer, mit dem eine Geschwindigkeit, vorzugsweise unterschiedliche Richtungskomponenten der Luft- oder Gasströmung ermittelt werden. Darüber hinaus ist auf vorteilhafte Weise vorgesehen, dass die Steuerung eingerichtet ist, das Steuersignal zumindest zeitweise anhand eines Vergleichs zwischen der erfassten Eigenschaft der Strömung und/oder der erfassten Betriebseigenschaft des Rotors und wenigstens eines Schwellenwerts für die Eigenschaft der Strömung und/oder für die Betriebseigenschaft des Rotors zu erzeugen. Bei einem derartigen Schwellenwert handelt es sich somit um einen Grenzwert, bei dessen Erreichen oder Über- bzw. Unterschreiten durch die Steuerung ein Steuersignal zur Initiierung einer Bewegung wenigstens eines der Rotorblattteile erzeugt wird.
Die entsprechenden Schwellenwerte sind vorzugsweise in einem Datenspeicher hinterlegt, der integraler Bestandteil der Steuerung ist oder eine separate Komponente darstellt, die über eine Datenübertragungsstrecke mit der Steuerung zumindest zeitweise in Verbindung steht. Bei einem derartigen Datenspeicher handelt es sich gemäß einer besonders speziellen Ausführungsform um einen externen Server, eine Cloud oder einen Teil davon, in dem eine Vielzahl unterschiedlicher Schwellenwerte von unterschiedlichen Anlagen mit Strömungsmaschinen, insbesondere von verschiedenen Windenergieanlagen eines Windparks, gemeinsam abgelegt sind. In diesem Zusammenhang ist es des Weiteren sogar denkbar, dass die Schwellenwerte auch das Betriebsverhalten benachbarter Strömungsmaschinen, insbesondere benachbarter Windenergieanlagen und hier insbesondere den Nachlauf der Strömungsmaschinen, berücksichtigen oder Informationen darüber enthalten.
Derartige Schwellenwerte werden üblicherweise basierend auf Erfahrungswerten oder rechnerisch ermittelten Größen festgelegt. Bevorzugt ist es denkbar, dass die hinterlegten Schwellenwerten auf Simulationsberechnungen der mit dem wenigstens zweiteilig ausgeführten Rotorblatt betriebenen Strömungsmaschinen und insbesondere des Rotors beruhen. Auf vorteilhafte Weise wird hierbei berücksichtigt, dass je nach Lastanforderung, Betriebsbedingung, Drehzahlvorgabe, Leistungsbeanspruchung oder nach Gestaltung des Nachlaufs die jeweils optimale Blattwinkeleinstellung und Verwindung mithilfe der Steuerung eingestellt werden soll. Bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang denkbar, dass ein geschlossener Regelkreis geschaffen wird, sodass eine geregelte Rotorblattverstellung realisiert wird, die in Abhängigkeit der jeweiligen Windverhältnisse, Lastanforderungen, Rotorbeanspruchungen und/oder Betriebsbedingungen eine optimale Verstellung des Rotors mit seinen wenigstens zwei Rotorblatteilen bewirkt.
Die Simulation zur Berechnung von Schwellenwerten, die schließlich der Steuerung zur Verfügung gestellt werden, erfolgt auf vorteilhafte Weise unter Berücksichtigung der vorgeschriebenen Lastannahmen, wie sie etwa in der IEC 61400-1 angegeben sind.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist ein Energiespeicher vorgesehen. Der Energiespeicher kann als Batterie, kapazitiver Speicher oder Drucktank ausgebildet sein. Der Energiespeicher kann in vorteilhafter Weise als eine Art Notvorrichtung genutzt werden, um die Rotorblätter in Fahnenposition auszurichten.
Eine erfindungsgemäß ausgeführte Strömungsmaschine mit einem Rotor, der über wenigstens ein Rotorblatt verfügt, das wiederum wenigstens zwei Rotorblattteile aufweist, kann auf vorteilhafte Weise in einer Windenergieanlage verwendet werden. Ebenso ist es allerdings denkbar, dass eine erfindungsgemäß ausgeführte Strömungsmaschine in einem Luftfahrzeug, insbesondere einem Hubschrauber oder einer Drohne, zum Einsatz kommt.
Neben einer Strömungsmaschine betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine, die über wenigstens einen in einer Luft- oder Gasströmung drehbaren Rotor verfügt. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird wenigstens ein um eine Rotornabe drehbares Rotorblatt verwendet, welches sich in einer Ebene, die zumindest nahezu senkrecht zur Längsachse der Rotornabe angeordnet ist, dreht und das über wenigstens zwei Teile mit unterschiedlichem Abstand zur Rotornabe verfügt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird

- eine Eigenschaft der Strömung und/oder eine Betriebseigenschaft des Rotors von wenigstens einem Sensor erfasst,
- ein Steuersignal von einer Steuerung in Abhängigkeit der von dem wenigstens einen Sensor erfassten Eigenschaft der Strömung und/oder der Betriebseigenschaft erzeugt und an eine Bewegungseinrichtung übertragen und
- unter Zugrundelegung des Steuersignals durch die Bewegungseinrichtung eine Ausrichtung des Rotorblatts relativ zur Strömung zumindest teilweise verändert.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren derart weitergebildet worden, dass die Bewegungseinrichtung ein erstes Bewegungsmittel, das das erste Teil des Rotorblatts bewegt und ein zweites Bewegungsmittel, das das wenigstens eine zweite Teil des Rotorblattes bewegt, aufweist und das erste und das wenigstens eine zweite Teil des Rotorblatts unter Zugrundelegung des Steuersignals gemeinsam oder getrennt voneinander unter Berücksichtigung der wenigstens einen Eigenschaft der Strömung und/oder der Betriebseigenschaft des Rotors bewegt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine mit einem Rotor zeichnet sich somit dadurch aus, dass die Lage relativ zur Strömung der wenigstens zwei Teile eines Rotorblattes getrennt voneinander in Abhängigkeit der erfassten Eigenschaften der Strömung und/oder der Betriebseigenschaften des Rotors verändert werden können. Es wird somit ein wirtschaftlich effektiver und gleichzeitig im Hinblick auf die Belastungen des Rotorblattes entlang der Rotorblattlängsachse optimierter Betrieb gewährleistet. Eine Verstellung wenigstens eines der Rotorblattteile erfolgt hierbei auf vorteilhafte Weise durch Verdrehen und/oder Verkippen um eine Rotorblattlängsachse.
Auf vorteilhafte Weise wird das Verfahren derart weitergebildet, dass von den zwei Teilen eines Rotorblatts dasjenige schneller zur Veränderung der Ausrichtung relativ zu Strömung bewegt wird, das einen größeren Abstand zur Rotornabe aufweist, also dass das äußere Rotorblatt schneller verstellt werden kann als das innere. Aufgrund dieser Verstellmöglichkeit wird im Lastfall einer Notabschaltung gewährleistet, dass das innere Blatt langsamer und damit mit geringeren Lasten verstellt wird.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Steuersignal auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen wenigstens einer erfassten Eigenschaft der Strömung und/oder einer erfassten Betriebseigenschaft des Rotors und einem Schwellenwert für die Eigenschaft der Strömung und/oder für die Betriebseigenschaft des Rotors erzeugt wird. Der Betrieb des Rotors wird hierbei auf vorteilhafte Weise an sich ändernde Lastanforderungen, Windverhältnisse, Belastungen des Rotors und/oder Betriebseigenschaften angepasst. Im Übrigen ist es auf vorteilhafte Weise vorgesehen, dass zumindest ein Schwellenwert durch Simulation des Rotors unter Berücksichtigung spezieller Lastanforderungen ermittelt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand spezieller Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1: eine Windenergieanlage mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Strömungsmaschine, und
2: eine Schnittansicht eines Rotorblatts, das zwei verstellbare Rotorblattteile aufweist.

1 zeigt eine Windenergieanlage mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Strömungsmaschine 10, die über einen Turm 29 und eine relativ zum Turm 29 drehbare Gondel 30 verfügt. An der Gondel 30 ist ein Rotor 11 mit drei Rotorblättern 13 und einer Rotornabe 12 angeordnet. Der Rotor 11 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung um die Rotornabe 12 mit deren Längsachse 14 versetzt und treibt dadurch einen in der Gondel 30 angeordneten Generator zur Erzeugung elektrischer Energie an.
Der Rotor 11 verfügt über drei Rotorblätter 13, deren Rotorblattlängsachsen 22 jeweils einen Winkel von etwa 120° einschließen. Die Rotorblätter 13 sind an den Rotorblattwurzeln 26 im Bereich der Rotornabe 12 befestigt. Die Rotorblätter 13 sind jeweils geteilt ausgeführt und weisen ein inneres, nabennahes Teil 15 und ein äußeres Teil 16 mit der Rotorspitze auf.
Ferner verfügt die Strömungsmaschine 10 der in 1 gezeigten Windenergieanlage über einen Sensor 18, hier ein Anemometer, der die Windgeschwindigkeit und Windrichtung erfasst. Das vom Sensor 18 erzeugte Messsignal wird an eine zentrale Steuerung 19 der Strömungsmaschine 10 übertragen, die unter Berücksichtigung des erhaltenen Messsignals bzw. Messwerts ein Steuersignal erzeugt und jeweils an eine Bewegungseinrichtung 17 der Rotorblätter 13 überträgt. Bei der Ermittlung des Steuersignals werden Schwellenwerte bzw. Grenzwerte für einzelne Betriebsparameter, wie etwa Belastungswerte oder Windgeschwindigkeiten, berücksichtigt, die in einem Datenspeicher 25 hinterlegt sind, und von hier der Steuerung 19 zur Verfügung gestellt werden.
Die Bewegungseinrichtungen 17 der Rotorblätter 13 verfügen wiederum jeweils über ein Bewegungsmittel 20, das das innere Rotorblattteil 15 um eine Rotorblattlängsachse 22 bewegen kann sowie über jeweils ein zweites Bewegungsmittel 21, das das äußere Rotorblattteil 16 um die Rotorblattlängsachse 22 bewegen kann. Die Steuerung 19 sowie die Bewegungsmittel 20, 21 sind derart ausgeführt, dass die beiden Teile 15, 16 der Rotorblätter 13 gemeinsam oder unabhängig voneinander bewegt werden können.
Eine Veränderung der Lage der Rotorblattteile 15, 16 relativ zur Strömung erfolgt unter Berücksichtigung der Windverhältnisse sowie der Betriebseigenschaften und/oder der auf die Rotorblätter 13 einwirkenden Lasten. In diesem Zusammenhang sind entlang der einzelnen Rotorblätter 13 Sensoren 31 (in der Figur nicht gezeigt), beispielsweise in Form von Dehnmessstreifen, zur Erfassung der Beanspruchung der Rotorblätter 13 vorgesehen, mit denen Messwerte für die jeweilig auftretenden Belastungen aufgenommen und an die Steuerung 19 übertragen werden können. Der Betrieb der in 1 gezeigten Windenergieanlage erfolgt in diesem Fall geregelt, wobei die Windenergieanlage sowohl im Volllast- als auch im Teillastbereich stets in einem sowohl wirtschaftlich als auch im Hinblick auf eine Belastung der Rotorblätter 13 optimalen Betrieb betrieben wird.
2 zwei zeigt die Schnittansicht eines Rotorblatts 13 das über zwei verstellbare Rotorblattteile 15, 16 verfügt. Sowohl dem inneren, nahe der Rotornabe 12 angeordneten Rotorblattteil 15 als auch dem äußeren Rotorblattteil 16 mit der Rotorspitze ist jeweils ein Bewegungsmittel 20, 21 zugeordnet, dass eine Lage des jeweiligen Rotorblattteils 15, 16 relativ zur Strömung auf der Grundlage eines von einer Steuerung 19 erzeugten Steuersignals während des Betriebs bedarfsgerecht verändern kann.
Das Bewegungsmittel 20 des inneren Rotorblattteils 15 ist im Bereich der Rotorblattwurzel 26 angeordnet und mit einer Tragstruktur 23 des Rotorblatts 13 verbunden, die die umströmte Oberfläche 24 des Rotorblatts trägt. Im Bereich einer Trennstelle 27 stoßen die beiden bewegbaren Rotorblatteile 15, 16 aneinander. In diesem Bereich ist ein zweites Bewegungsmittel 21 angeordnet, mit dem die Lage des äußeren Rotorblattteils 16 relativ zur Strömung, also hier relativ zur Anströmung, durch eine Bewegung um die Rotorblattlängsachse 22 veränderbar ist. An der Trennstelle 27 ist gleichfalls ein Lager 28 zur Aufnahme des äußeren Blattteils 16 angeordnet. Die Tragstruktur 23, an der die Rotorblattschale 24 befestigt ist, erstreckt sich vom inneren Rotorblattteil 15 über das im Bereich der Trennstelle 27 angeordnete Lager 28 in das äußere Rotorblattteil. Über das Lager 28 sind die Teile der Tragstruktur 23 im inneren sowie im äußeren Rotorblattteil 15, 16 beweglich miteinander verbunden.
Die beiden Bewegungsmittel 20, 21 sind derart ausgeführt, dass die beiden Rotorblattteile 15, 16 wahlweise gemeinsam oder unabhängig voneinander bewegt werden können, sodass je nach Bedarf nur eines der Rotorblattteile 15, 16 oder beide Teile 15, 16 gleichzeitig bewegt werden. Die Bewegungsmittel 20, 21 zur Veränderung der Lage des inneren Rotorblattteils 15 sowie des äußeren Rotorblattteils 16 sind im Bereich eines Lagers im Bereich der Blattwurzel 26 sowie eines Lagers 28 im Bereich der Trennstelle 27 angeordnet und sind an die Tragstruktur 23 angebunden. Die Bewegungsmittel 20, 21 mit ihren Antrieben sowie die Lager im Bereich der Blattwurzel 26 sowie der Trennstelle 27 ermöglichen in Abhängigkeit der von der Steuerung 19 erzeugten Steuersignale eine Bewegung der Rotorblattteile 15, 16 gemeinsam oder einzeln. Die Steuerung 19 ist in diesem Zusammenhang ferner derart ausgeführt, dass eine besonders effektive Notabschaltung erreicht wird, bei der das äußere Rotorblattteil 16 schneller verstellt wird als das innere Rotorblattteil 15. Aufgrund dieser Verstellmöglichkeit wird das innere, nahe der Rotornabe 12 angeordnete Rotorblattteil 15 langsam verstellt, sodass während der Verstellung vergleichsweise geringe Belastungen in diesem Bereich auftreten.
Die erfindungsgemäße technische Lösung zeichnet sich somit dadurch aus, dass eine Strömungsmaschine 10 mit einem Rotor 11, der wenigstens ein Rotorblatt 13 mit wenigstens zwei Rotorblattteilen 15, 16 aufweist, derart betrieben werden kann, dass die beiden Rotorblatteile 15, 16 sowohl miteinander als auch unabhängig voneinander bewegt werden können. Mithilfe einer derartigen Lösung ist ein Rotor 11 sowohl im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit als auch die auf ihn einwirkenden Belastungen optimal zu betreiben. Insbesondere werden bei dem Betrieb einer erfindungsgemäß ausgeführten Strömungsmaschine 10 stets die aktuell herrschenden Betriebsbedingungen, insbesondere die Windgeschwindigkeit, Lastanforderung und/oder die Belastungen des Rotors berücksichtigt, sodass ein geregelter Betrieb ermöglicht wird.
Bezugszeichenliste

10: Strömungsmaschine
11: Rotor
12: Rotornabe
13: Rotorblatt
14: Längsachse der Rotornabe
15: erstes Rotorblattteil
16: zweites Rotorblattteil
17: Bewegungseinrichtung
18: Sensor
19: Steuerung
20: erstes Bewegungsmittel
21: zweites Bewegungsmittel
22: Längsachse des Rotorblatts
23: Tragstruktur
24: Rotorblattschale
25: Datenspeicher
26: Rotorblattwurzel
27: Trennstelle
28: Blattlager an der Trennstelle
29: Turm
30: Gondel
31: Sensor zur Beanspruchungserfassung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006022279 B4 [0006]

Claims

Strömungsmaschine (10) mit einem in einer Luft- oder Gasströmung angeordneten Rotor (11), der wenigstens ein um eine Rotornabe (12) drehbares Rotorblatt (13) aufweist, welches in einer Ebene, die zumindest nahezu senkrecht zur Längsachse (14) der Rotornabe (12) angeordnet ist, drehbar ist und das über wenigstens zwei Teile (15, 16) mit unterschiedlichem Abstand zur Rotornabe (12) verfügt, mit wenigstens einer Bewegungseinrichtung (17) zur wenigstens teilweisen Veränderung einer Ausrichtung des Rotorblatts (13) relativ zur Strömung, mit wenigstens einem Sensor (18) zur Erfassung einer Eigenschaft der Strömung und/oder einer Betriebseigenschaft des Rotors (11) und mit einer Steuerung (19), die in Abhängigkeit einer von dem Sensor (18) erfassten Eigenschaft der Strömung und/oder der Betriebseigenschaft des Rotors (11) ein Steuersignal erzeugen und an die Bewegungseinrichtung (17) übertragen kann, sodass die Ausrichtung des Rotorblatts (13) relativ zur Strömung unter Berücksichtigung der wenigstens einen Eigenschaft der Strömung veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung (17) ein erstes Bewegungsmittel (20) zur Veränderung einer Ausrichtung eines ersten Teils (15) des Rotorblatts (13) relativ zur Strömung und ein zweites Bewegungsmittel (21) zur Veränderung einer Ausrichtung eines zweiten Teils (16) des Rotorblatts (13) relativ zur Strömung aufweist, wobei das erste und das zweite Teil (15, 16) des Rotorblatts (13) gemeinsam oder getrennt voneinander unter Berücksichtigung der wenigstens einen Eigenschaft der Strömung und/oder der Betriebseigenschaft des Rotors (11) bewegbar sind.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Teil (15, 16) des Rotorblatts (13) unmittelbar oder mittelbar miteinander verbunden sind.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsmittel (20, 21) derart ausgeführt sind, dass das erste und/oder das zweite Teil (15, 16) des Rotorblatts (13) wenigstens abschnittsweise um eine Längsachse (22) des Rotorblatts (13) drehbar oder kippbar ist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (19) und/oder die Bewegungsmittel (20, 21) derart ausgeführt sind, dass die Ausrichtung des einen größeren Abstand zur Rotornabe (12) aufweisenden Teils (16) des Rotorblatts (13) schneller als die Ausrichtung des einen kleineren Abstand zur Rotornabe (12) aufweisenden Teils (16) des Rotorblatts (13) veränderbar ist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Teile (15, 16) des Rotorblatts (13) eine Tragstruktur (23) aufweist, an der die von der Strömung umströmte Oberfläche (24) befestigt ist und die Tragstruktur (23) mittelbar oder unmittelbar mit wenigstens einem der Bewegungsmittel (20, 21) verbunden ist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsignal vom Sensor (18) zur Steuerung (19) und/oder ein Steuersignal von der Steuerung (19) zur Bewegungseinrichtung (17) wenigstens zeitweise drahtlos übertragbar ist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) eingerichtet ist, um wenigstens ein Messsignal, das eine Betriebseigenschaft des Rotors (11), ausgewählt aus der Gruppe Rotordrehzahl, Drehmoment, Leistung an einer An- oder Abtriebswelle, eine Beanspruchung des Rotors (11) und Form einer Umströmung des Rotors (11), repräsentiert, zu erzeugen und an die Steuerung (19) zu übertragen.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) eingerichtet ist, um wenigstens ein Messsignal, das eine Geschwindigkeit, eine Richtung, eine Form und/oder eine Zusammensetzung der Strömung repräsentiert, zu erzeugen und an die Steuerung (19) zu übertragen.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (19) eingerichtet ist, das Steuersignal zumindest zeitweise anhand eines Vergleichs zwischen der erfassten Eigenschaft der Strömung und/oder der erfassten Betriebseigenschaft des Rotors (11) und wenigstens einem Schwellenwert für die Eigenschaft der Strömung und/oder für die Betriebseigenschaft des Rotors (11) zu erzeugen.
Strömungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schwellenwert auf der Grundlage einer Simulation des Rotors (11) ermittelbar ist und in einem Datenspeicher (25) abgelegt ist, der zumindest zeitweise über eine Datenübertragungsstrecke mit der Steuerung (19) verbunden ist.
Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeicher vorgesehen ist.
Luftfahrzeug, Ventilator oder Windenergieanlage mit einer Strömungsmaschine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine (10) mit wenigstens einem in einer Luft- oder Gasströmung drehbaren Rotor (11), der wenigstens ein um eine Rotornabe (12) drehbares Rotorblatt (13) aufweist, welches sich in einer Ebene, die zumindest nahezu senkrecht zur Längsachse (14) der Rotornabe (12) angeordnet ist, dreht und das über wenigstens zwei Teile (15, 16) mit unterschiedlichem Abstand zur Rotornabe (12) verfügt, bei dem - eine Eigenschaft der Strömung und/oder eine Betriebseigenschaft des Rotors (11) mit einem Sensor (18) erfasst wird, - eine Steuerung (19) in Abhängigkeit der von dem Sensor (18) erfassten Eigenschaft der Strömung und/oder der Betriebseigenschaft des Rotors (11) ein Steuersignal erzeugt und an eine Bewegungseinrichtung (17) überträgt, und bei dem - unter Zugrundelegung des Steuersignals durch die Bewegungseinrichtung (17) eine Ausrichtung des Rotorblatts (11) relativ zur Strömung zumindest teilweise verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung (17) ein erstes Bewegungsmittel (20), das das erste Teil (15) des Rotorblatts (11) bewegt und ein zweites Bewegungsmittel (21), das das wenigstens eine zweite Teil (16) des Rotorblatts (11) bewegt, aufweist und das erste (15) und das wenigstens eine zweite Teil (16) des Rotorblatts (11) unter Zugrundelegung des Steuersignals gemeinsam oder getrennt voneinander unter Berücksichtigung der wenigstens einen Eigenschaft der Strömung und/oder der Betriebseigenschaft des Rotors (11) bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass von den zwei Teilen (15, 16) des Rotorblatts (11) dasjenige Teil (16) schneller zur Veränderung der Ausrichtung relativ zur Strömung bewegt wird, das einen größeren Abstand zur Rotornabe (12) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen der erfassten Eigenschaft der Strömung und/oder der erfassten Betriebseigenschaft des Rotors (11) und einem Schwellenwert für die Eigenschaft der Strömung und/oder für die Betriebseigenschaft des Rotors (11) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schwellenwert durch Simulation des Rotors (11) unter Berücksichtigung spezieller Lastanforderungen ermittelt wird.